Modelarea relatiei structura - activitate (SAR) si structura-proprietate

1
Modelarea relatiei structura - activitate (SAR)
si structura-proprietate

• Importanta si relevanta continutului stiintific
• Metodologia cercetarii
• Rezultate MDF in SAR/SPR
• MDF portal

SupraconductibilitateCeramici
2
Importanta si relevanta continutului stiintific

• Sintetizarea de noi compusi chimici biologic
  activi, cu performante superioare si/sau costuri
  mai mici de productie care sa serveasca la
  tratamentul medical aplicat oamenilor si/sau
  animalelor, obtinerea de noi soiuri de plante
  transgenice si mai buna conservare a mediului
  ambiant este principalul obiectiv al platformei
  tehnologice chimie durabila (http//www.suschem.or
  g).
• Mircea DIUDEA, Ivan GUTMAN, Lorentz JÄNTSCHI,
  Molecular Topology, Nova Science, Huntington, New
  York, USA, 2001, 332 p., ISBN 1-56072-957-0.
• In ultima perioada de timp, indicii structurali
  folositi pentru modelarea de compusi biologic
  activi prin studii integrate structura-activitate
  (SAR structure activity relationship) sunt tot
  mai frecvent calculati din parametrii sterici
  (geometrici) si/sau electrostatici (sarcini
  partiale) in detrimentul parametrilor pur
  topologici. Sunt preferate calcule semiempirice
  si cuantice cu programe ca Hondo95, Gaussian94,
  Gamess, Icon08, Tx90, Polyrate, Unichem/Dgauss,
  Allingers MM3, Mopac93, Mozyme si HyperChem.
• Analiza de regresie structura/activitate
  foloseste metode clasice ca regresia liniara,
  liniara multipla, neliniara, sisteme expert sau
  retele neuronale petru baze mari de date.
• Elaborarea, implementarea si folosirea modelului
  molecular pentru obtinerea de noi compusi
  biologic activi este referita frecvent in fluxul
  de informatii.

3

• Iata un rezumat al acestor preocupari.
• Ca metoda preliminara de analiza, unii autori
  aliniaza setul de molecule. Mai mult, metoda
  CoMFA introduce un algoritm in 6 pasi pentru
  analiza structura-activitate
• 1. construieste setul scoala de molecule cu
  activitate biologica cunoscuta si genereaza
  structura 3D a moleculelor (folosind programe ca
  Mopac, Sybyl, HyperChem, Alchemy2000, MolConn
• 2. alege o metoda de suprapunere (care poate fi
  suprapunerea de fragmente alese din molecule, sau
  suprapunerea de grupuri farmacofore si suprapune
  virtual coordonatele spatiale
• 3. construieste un grid care inconjoara
  moleculele suprapuse la pasul (2) intr-o forma
  standard sau modificata si alege un atom de proba
  pentru interactia cu punctele gridului
• 4. utilizeaza o metoda empirica, un model
  specific (suprapunere farmacofora), energia
  potentiala clasica (Lennard-Jones, Coulomb),
  energia legaturilor de hidrogen, campul generat
  de orbitalii moleculari sau orice alt model
  definit de utilizator si calculeaza valorile de
  interactiune in gridul de la pasul (3) a campului
  de interactiune ales cu atomul proba de la pasul
  (3)
• 5. foloseste valorile calculate ale interactiunii
  de la pasul intre punctele gridului si atomul de
  proba pentru a face estimarea activitatii
  cunoscute construind o relatie structura
  activitate
• 6. foloseste relatia structura activitate
  obtinuta la pasul (5) pentru a face predictia
  activitatii pentru molecule cu aceeasi
  suprapunere cu setul scoala de la pasul (1).

4

• Metoda CoMFA este un bun instrument pentru
  predictia unui variat tip de activitati biologice
  cum sunt citotoxicitatea, inhibitia, sau
  proprietatile de formare. Mai mult, metoda
  serveste in modelarea compusilor cu efecte
  farmaceutice si inhibitorilor HIV.
• Revenind asupra investigatiilor structurale pe
  compusi biologic activi, o activitate foarte
  importanta este cautarea substructurilor active
  biologic din compusii biologic activi care produc
  cea mai mare parte a raspunsului biologic
  masurat.
• Relatiile cantitative structura-activitate QSAR
  (Q quantitative) refera in general o activitate
  biologica masurabila iar tehnica de investigare
  ce foloseste QSAR este o tehnica moderna
  folosita astazi in multe domenii prioritare,
  incluzand farmaceutica, mediul, biotehnologia si
  microbiologia. Literatura de specialitate contine
  astazi un numar mare de relatii
  structura-activitate care evalueaza impactul
  produselor chimice asupra mediului.
• Modelul matematic folosit pentru obtinerea
  relatiilor structura-activiate este cel mai
  frecvent bazat pe regresia liniara si pe retelele
  neuronale artificiale.

5
Metodologia cercetarii

• Modelarea, testarea si identificarea de noi
  compusi biologic activi, prin impactul sau in
  agricultura, sanatate si industrie, este
  instrumentul principal al dezvoltarii economice
  si calitatii vietii. Identificarea sau
  descoperirea de noi biocombustibili, biomateriale
  si compusi chimici cu activitate biologica este
  calea spre cresterea eficientei economice si
  reducerea poluarii mediului. Este unanim
  recunoscut acum ca obiectivele de crestere a
  eficientei economice si reducere a poluarii
  mediului si prin identificarea de noi site
  moleculare si biocatalizatori, gasirea de noi
  utilizari ale sitelor si biocatalizatorilor
  cunoscuti, optimizarea proceselor biotehnologice,
  identificarea si caracterizarea de noi enzime si
  microorganisme, genomica microbiana si
  bioinformatica, ingineria metabolica si modelare,
  proteine si materiale nanocompozite superioare
  plaseaza activitatile de cercetare si dezvoltare
  in aria de cercetare interdisciplinara
  chimie-biologie-inginerie-informatica.
• In prezent metodologia de investigare structurala
  a compusilor chimici biologic activi asa cum s-a
  aratat in importanta si relevanta continutului
  stiintific recomanda

6
Metodologia cercetarii

• Construirea modelului molecular folosind un
  program de modelare moleculara
• Validarea sau aplicarea modelului molecular prin
  Predictie (aprecierea cantitativa a legaturii
  intre structura topologica si geometrica propusa
  de model si proprietate sau activitate, daca
  acestea sunt disponibile din date experimentale
  obtinute in urma sintetizarii) sau Estimare
  (calcularea valorii celei mai probabile pentru
  proprietate sau activitate si aprecierea
  cantitativa a legaturii intre structura
  topologica si geometrica obtinuta sau cunoscuta
  si proprietatea sau activitatea estimata, pentru
  cazul cand datele experimentale nu sunt
  disponibile sau compusul nu a fost inca
  sintetizat)
• Stabilirea sau alegerea cailor de sintetizare (a
  mecanismelor) pentru compusii care dovedesc
  activitate biologica buna
• Sintetizarea compusilor chimici pentru care
  modelul molecular recomanda valori estimate bune
  ale activiatii biologice dorite
• Evaluarea proprietatilor si activitatilor
  biologice ale noilor compusi sintetizati.

7
Rezultate MDF in SAR/SPR
Set n R2_old Ref R2_pred R2_est v Ref
23151 16 0.985 (4, n 13) 0.741 (4, n 16) 1 0.997 0.995 3 2
36638 16 0.967 (?) 3 0.994 0.991 3 4
41521 8 0.985 (5) 0.913 (3) 5 0.999 0.998 2 6
IChr10 10 0.9 (2) 7 0.999 0.999 2 8
Ta395 15 0.87 (2, n 13) 9 0.977 0.961 2 10
Tox395 14 0.8 (2, n 13) 9 0.957 0.934 2 10
23159 23159e 18 8 0.388 (1, n 18) 0.839 (3, n 18) 11 0.755 0.982 0.899 (8) 0.968 (8) 0.684 0.974 0.758 0.898 1 2 1 2 12
PCB_lkow 206 0.873 0.890 0.917 0.870 0.885 0.909 1 2 4 13
PCB_rrf 209 0.628 0.693 0.737 0.619 0.682 0.717 1 2 4 14
26449 10 15 0.8248 0.9974 0.6966 0.9948 1 2 16
MR10 10 0.975 (2, n 10) 17 0.9919 0.99996 0.9884 0.9999 1 2 18
8
Rezultate MDF in SAR/SPR

• 1 Vijay K. Agrawal, Ravindra Srivastavaa and
  Padmakar V. Khadikarb, QSAR Studies on Some
  Antimalarial Sulfonamides, Bioorganic Medicinal
  Chemistry, 2001, 9, p. 32873293.
• 2 Lorentz JÄNTSCHI and Sorana BOLBOACA,
  Molecular Descriptors Family on Structure
  Activity Relationships 5. Antimalarial Activity
  of 2,4-Diamino-6-Quinazoline Sulfonamide
  Derivates, Leonardo Journal of Sciences, 2006,
  Issue 8, p. 77-88.
• 3 Brasquet C., Le Cloirec P., QSAR for Organics
  Adsorption Onto Activated Carbon In Water What
  About The Use Of Neural Networks?, Wat. Res.,
  1999, 33(17), p. 3603-3608.
• 4 Jäntschi L., Water Activated Carbon Organics
  Adsorption Structure - Property Relationships,
  Leonardo Journal of Sciences, AcademicDirect,
  2004, Issue 5, p. 63-73.
• 5 Hasegawa K., Arakawa M., Funatsu K., 3D-QSAR
  study of insecticidal neonicotinoid compounds
  based on 3-way partial least squares model,
  Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems,
  1999, 47, p. 3340.
• 6 Bolboaca S., Jäntschi ., Molecular
  Descriptors Family on Structure Activity
  Relationships 2. Insecticidal Activity of
  Neonicotinoid Compounds, Leonardo Journal of
  Sciences, AcademicDirect, 2005, Issue 6, 78-85.
• 7 Jäntschi L., Muresan S., Diudea M., Modeling
  Molecular Refraction and Chromatographic
  Retention by Szeged Indices, Studia Universitatis
  Babes-Bolyai, Chemia, 2000, XLV(1-2), p.
  313-318..
• 8. Jäntschi L., MDF - A New QSAR/QSPR Molecular
  Descriptors Family, Leonardo Journal of Sciences,
  AcademicDirect, 2004, Issue 4, p. 67-84.
• 9 Smith, C. J. Hansch C., Morton M. J., QSAR
  treatment of multiple toxicities the
  mutagenicity and cytotoxicity of quinolines,
  Mutation Research, 1997, 379, p. 167175.
• 10 Jäntschi L., Bolboaca S., Molecular
  Descriptors Family on QSAR Modeling of
  Quinoline-based Compounds Biological Activities,
  The 10th Electronic Computational Chemistry
  Conference, April 2005, http//eccc.monmouth.edu
• 11 Baker J. R., Mihelcic J. R., Sabljic A.,
  Reliable QSAR for estimating KOC for persistent
  organic pollutants correlation with molecular
  connectivity indices, Chemosphere, 2001, 45, p.
  213-221.
• 12. Jäntschi L., Delphi Client - Server
  Implementation of Multiple Linear Regression
  Findings a QSAR/QSPR Application, Applied
  Medical Informatics, Cluj-Napoca, 2004, Issue 15,
  p. 48-55.
• 13 Lorentz JÄNTSCHI and Sorana BOLBOACA,
  Molecular Descriptors Family on Structure
  Activity Relationships 6. Octanol-Water Partition
  Coefficient of Polychlorinated Biphenyls,
  Leonardo Electronic Journal of Practices and
  Technologies, AcademicDirect, 2006, Issue 8, p.
  71-86.
• 14 Jäntschi L., QSPR on Estimating of
  Polychlorinated Biphenyls Relative Response
  Factor using Molecular Descriptors Family,
  Leonardo Electronic Journal of Practices and
  Technologies, AcademicDirect, 2004, Issue 5, p.
  67-84.
• 15 Ungwitayatorn J., Pickert M., Frahm A.W.,
  Quantitative structure-activity relationship
  (QSAR) study of polyhydroxyxanthones,
  Pharmaceutica Acta Helvetiae, 1997, 72, p. 23-29.
• 16 Bolboaca S, Jäntschi L. Molecular
  Descriptors Family on Structure Activity
  Relationships 3. Antituberculotic Activity of
  some Polyhydroxyxanthones, Leonardo Journal of
  Sciences, AcademicDirect, 2005, Issue 7, p.
  58-64.
• 17 Jäntschi L., Muresan S., Diudea M.V.,
  Modeling molar refraction and chromatographic
  retention by Szeged Indices, Studia Universitatis
  Babes-Bolyai, Chemia, 2000, XLV(1-2), p. 313-318
• 18 Lorentz JÄNTSCHI and Sorana BOLBOACA,
  Molecular Descriptors Family on Structure
  Activity Relationships 4. Molar Refraction of
  Cyclic Organophosphorus Compounds, Leonardo
  Electronic Journal of Practices and Technologies,
  AcademicDirect, 2005, Issue 7, p. 55-102.

9
(No Transcript)
10
MDF portal
11
Supraconductibilitate

• În 1908 fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes
  a reusit sa lichefieze Heliul (punct de fierbere
  normal 4.6 K). Prin fierberea He la presiune
  redusa el a atins temperaturi de 1.15 K. În timp
  ce studia proprietatile substantelor la aceste
  temperaturi a descoperit ca la 4.1 K mercurul
  sufera o tranzitie de stare în care proprietatile
  difera. Cea mai surprinzatoare schimbare este cea
  a rezistentei electrice, care scade brusc la 0.
  Aceasta stare se numeste de supraconductibilitate.
  Multe elemente sunt supraconductoare. Cele mai
  bune supraconductoare (supraconductibilitatea
  apare la o temperatura mai ridicata) sunt Nb
  (9.2 K), Tc (8.2 K), Pb (7.21 K), La (6.1 K), V
  (5.2 K), Ta (4.4 K), Hg (4.15 K), Sn (3.72 K), In
  (3.40 K). Surprinde ca metalele cu cea mai buna
  conductibilitate la temperatura camerei (Li, Be,
  Cu si congenerii) nu sunt supraconductori buni
  (la acestea supraconductibilitatea apare sub 0.2
  K). Acest fapt are explicatia ca masura
  rezistentei electrice normale a metalelor este
  datorata împrastierii undelor electronice ale
  electronilor de conductie de fotoni si rezistenta
  joasa este datorata interactiunii slabe. Tot
  interactiunea slaba face ca sa descreasca si
  stabilitatea starii supraconductoare. Multe
  aliaje sunt de asemenea supraconductoare. Aliajul
  Nb3Al0.75Ge0.25 manifesta supraconductibilitate
  la 21 K. O constatare interesanta este ca metalul
  în stare de supraconductibilitate este mai usor
  deformabil decât în starea sa normala.

12
Ceramici

• Fabricarea ceramicilor are radacini foarte adânci
  si putem merge înapoi în timp pentru a afla ca
  fabricarea oalelor de lut era facuta atunci ca si
  pâna acum 300 de ani.
• Proprietatile care se cer pentru diferite obiecte
  utilizate în industria electronica, industria
  energiei nucleare si în industria aerospatiala au
  impus dezvoltarea masiva a tehnologiilor de
  fabricatie de materiale cu proprietati speciale,
  ca duritate si rezistenta mecanica ridicate la
  temperaturi de lucru mari.
• Începând cu anul 1950, ceea ce parea a fi doar
  apanajul vaselor de bucatarie a devenit o
  întreaga industrie de materiale cu proprietati
  speciale. Astfel, din ceramica clasica si din
  prelucrarea metalelor s-a desprins o stiinta cu
  totul aparte, ceramica fina.

13
Portelanuri pentru înalta tensiune

• Aceasta industrie a fost practic inexistenta
  înainte de începutul secolului 20. Odata cu
  cresterea industriei transportatoare de
  electricitate la distante si tensiuni mari,
  necesarul pentru izolatori de înalta tensiune a
  crescut. Izolatorii de înalta tensiune trebuie sa
  aiba foarte bune proprietati electrice izolatoare
  tot asa cum trebuie sa aiba proprietati mecanice
  de rezistenta bune. Se fabrica si portelanuri
  pentru joasa tensiune. Compozitia acestora nu
  difera cu mult de cea a celor pentru înalta
  tensiune. Ele au ca domenii de utilizare
  întrerupatoare, socluri de lampi, blocuri
  fuzibile si toarte.
• Fie ca este vorba de portelanurile pentru înalte
  tensiuni sau cele pentru tensiuni joase, pe
  suprafata acestora se aplica o pelicula sticloasa
  pentru protejarea acestora împotriva
  infiltratiilor de apa. În compozitia acestor
  pelicule protectoare se gasesc oxizi de K, Ca Al
  si Si în mod uzual în urmatoarele rapoarte de
  compozitie K2OCaOAl2O3SiO2 37550.
• Uneori oxidul de calciu, CaO este înlocuit cu
  oxid de magneziu MgO sau de bariu BaO si acestor
  portelanuri li se pot adauga ZnO sau compusi cu
  zirconiu pentru opacizare. Unii producatori
  adauga si o mica cantitate de frita de borax. Se
  pot aplica si pelicule semiconductoare pentru
  protejarea de interferentele radio.

14
(No Transcript)
15
Ceramici cu proprietati electrice speciale

• Frecventele mari introduse în comunicatii au
  facut ca vechile ceramici triaxiale sa devina
  inadecvate. Proprietati cu totul noi
  feroelectrice si feromagnetice au fost necesare.
  Cu ajutorul ceramicilor s-au realizat materiale
  cu proprietati remarcabile. Urmatoarele
  proprietati sunt importante în evaluarea
  ceramicilor electrice
• Tensiunea de strapungere electrica exprimata în
  volti pe milimetru de grosime este un important
  factor în conditii de tensiuni mari în cazul
  ceramicilor caderea este ireversibila, ceea ce
  înseamna ca stricaciunea nu se repara de la sine
  valorile acestor tensiuni variaza de la 100 la
  200 V/mm
• Alta proprietate de interes este rezistivitatea
  volumica (?) la diverse temperaturi, exprimata în
  Ocm cele mai multe ceramici au valori de 1014
  Ocm la temperatura camerei aceasta valoare
  scade cu cresterea temperaturii la 900 ºC
  valoarea scade între 103 si 107 Ocm. Câteva
  ceramice ca ZrO2 devin bune conductoare la
  temperaturi înalte

16

• Pentru unele utilizari ale acestor ceramici,
  constanta dielectrica ?' este de mare interes
  acest factor este raportul dintre capacitatea
  unui condensator ce are ca material izolator o
  astfel de ceramica si un condensator similar la
  care izolarea între armaturi se face cu aer
  valorile lui ?' pentru cele mai multe materiale
  ceramice sunt între 4 si 10, dar rutilul are
  valoarea 100, iar titanatul de bariu de câteva
  sute tot aici, conteaza si coeficientul de
  temperatura al lui ?', d?'/dT si de frecventa
  d?'/d?
• în cazul în care ceramica este folosita la înalta
  frecventa, factorul de pierdere ?'' este foarte
  important acesta reprezinta energia pierduta în
  ergi pe centimetru cub si pe ciclu de oscilatie.H
  (öersteds)B (gauss)-BS-HC0-BrBrBSHC1234567
• Proprietatile magnetice pot fi ilustrate printr-o
  curba de magnetizare

17
(No Transcript)
18

• Aceasta diagrama este reprezentata cu câmpul
  aplicat (H) pe abscisa si magnetizarea indusa (B)
  pe ordonata. Începând de la un punct fara
  conditii magnetice (0) relatia între H si B
  evolueaza dupa o curba în forma de S (cu un punct
  de inflexiune) pâna în punctul de intensitate
  magnetica maxima aplicata HS, când magnetizarea
  indusa este BS. Daca acum câmpul aplicat scade,
  magnetizarea evolueaza pe curbele 2, 3 si 4,
  intersecteaza ordonata în Br (magnetizare
  remanenta) abscisa în HC (intensitatea câmpului
  de anulare a magnetizarii remanente) si daca se
  continua magnetizarea pâna la HS magnetizarea va
  fi atunci BS. Reaplicarea câmpului magnetic acum
  crescator va face ca magnetizarea sa evolueze pe
  curbele 5, 6 si 7, cu aceleasi semnificatii
  pentru punctele Br, HC si BS. Chiar daca se
  înceteaza aplicarea câmpului magnetic pentru o
  perioada îndelungata, curba de la 0 la BS nu va
  mai fi urmata niciodata de materialul ceramic
  doar daca acesta va fi în prealabil demagnetizat.
  Aceasta se poate face de exemplu încalzindu-l
  peste temperatura Curie. Cel de-al doilea cadran,
  sau curba de demagnetizare este foarte importanta
  pentru materialele utilizate la fabricarea
  magnetilor permanenti.
• Temperatura Curie Temperatura la care un
  material îsi pierde proprietatile magnetice ea
  este o caracteristica de material si depinde doar
  de compozitia chimica materialului.

19
Feroelectrici

• Aceste materiale reunesc proprietatile de
  constante dielectrice bune cu caracteristici de
  pierderi electrice mici. Este o bogata literatura
  în domeniu. O tratare elementara este data de
  McQuarrie, iar pentru cei interesati cartea
  Dielectrici si Unde de von Hippel este de un
  real folos. Feroelectricitatea este deseori un
  termen gresit înteles, pentru ca nu are nimic în
  comun cu fierul. Ea refera proprietati
  dielectrice asemanatoare cu proprietatile
  magnetice mentionate anterior.
• De exemplu, daca un material feroelectric este
  plasat între armaturile unui condensator, si se
  mareste intensitatea câmpului electric, sarcina
  rezultata nu va fi proportionala cu sarcina
  dintr-un dielectric simplu (neferoelectric).
• Majoritatea materialelor feroelectrice au
  structura perovskitica.
• Aceasta celula contine 3O2-, 1R2 si 1Ti4. R
  este uzual Ba2, însa Ca2, Mg2, Sr2, Rb2 si
  Cd2 pot fi adaugati pentru a furniza o gama
  larga de proprietati feroelectrice. În aditie,
  câtiva zirconati si pamânturi rare pot da de
  asemenea astfel de proprietati.
• Desen P1 - polarizarea, E - intensitatea
  câmpului electric

20
(No Transcript)
21
Titanati

• Acestia sunt produsi în faza solida prin reactia
  dintre un carbonat al unui metal alcalin si TiO2.
  Este dificil de obtinut o proportie
  stoechiometrica exacta în produsul final. Când
  continutul de TiO2 este mare, materialul este
  potrivit pentru condensatoare, iar daca este
  scazut, el poate fi utilizat pentru
  transductoare. Titanatul de bariu este în general
  procurat de la un producator de ceramici. Totusi,
  pentru calitati superioare, este ceruta o
  puritate înalta. Un continut de 2 SiO2 sau Al2O3
  reduce considerabil factorul ?. Kiss descrie
  producerea de titanat de bariu de compozitie
  stoechiometrica optima pentru marimi ale
  granulelor de 80 1000 Å prin hidroliza
  esterilor de titan. Hyatt si Laird discuta
  producerea de titanati prin sinterizare si
  macinare fina. Gallagher descrie metodele de
  coprecipitare ale prepararii aglomeratelor de
  titanati.
• Utilizarile ceramicilor sunt spectaculoase.
  Metodele moderne de formare a microcircuitelor în
  module tridimensionale se aplica cu succes la
  ceramici prin laminare, descrisa de Schwartz.
• Transductor dispozitiv de transformare a unei
  marimi fizice (acustice, magnetice) în marime
  electrica sau dispozitiv amplifica câmpul
  magnetic.
• Sinterizare procedeu de legare a unui material
  granular fara ajutorul unui liant, numai prin
  încalzire si presare.

22

• În figura urmatoare este reprezentata valoarea
  constantei dielectrice ?' pentru un titanat de
  bariu multicristalin, într-un domeniu larg de
  temperatura. Coeficientul de temperatura al lui
  ?' variaza într-un domeniu larg, ceea ce cauzeaza
  deseori dificultati în utilizarea sa pentru ca
  compensarea acestei variatii trebuie asigurata de
  alte parti de circuit. O solutie tot mai
  frecventa este dotarea instrumentelor cu
  termostate si aceasta asigura totala utilizare a
  sa în rol de dielectric. Factorul de pierdere
  depinde de puritate, compozitia stoechiometrica
  si conditiile de ardere. Exceptând picul situat
  la 120 ºC (vezi figura), factorul de pierdere
  este relativ redus.

23
(No Transcript)
24
Materiale feromagnetice

• Aceasta clasa cuprinde doua subdiviziuni,
  materialele usoare de tipul feritelor si
  materialele grele având în compozitie
  magneto-plumbiti.
• Toate materialele feromagnetice prezinta o
  relatie ireversibila între câmpul aplicat H si
  magnetizarea indusa B. Aceasta cauzeaza
  histerezis, pus în evidenta la toate materialele
  magnetice. Explicatia fenomenului cristalele ce
  sunt formate din aceste materiale magnetice
  contin entitati (cuante, unitati elementare de
  volum) cunoscute sub numele de domenii.
• Când este nemagnetizat, directia magnetica a
  domeniilor este întâmplatoare. Când este partial
  magnetizat, exista ceva aliniere, însa nicidecum
  totala. Când însa este saturat magnetic, toate
  domeniile sunt aliniate.
• Acesta este cazul suprafetelor magnetice folosite
  la unitatile de disc (diskette, HDD). De exemplu,
  la unitatile floppy de 3.5 si 1.44 MB câmpul
  magnetic aplicat trebuie sa fie de 300 Öersted
  pentru a realiza o scriere corecta. Acesta este
  deci câmpul magnetic de saturatie. Depasirea
  acestui câmp este si ea interzisa, fiind atunci
  afectate domeniile vecine domeniului asupra
  caruia se face scrierea.

25
(No Transcript)
26
Ferite

• Aceste materiale magnetice usoare au o structura
  de spinel MFe2O4 unde M poate fi Mg, Ni, Co, Cd,
  Zn sau Mn. Sunt folosite pentru fire de antena,
  materiale magnetostrictive, miezuri de memorii,
  componentele de deflexie la tuburile catodice si
  transformatoare.
• Trebuie sa aiba atât bune proprietati fizice cât
  si electrice si aceste proprietati trebuie sa fie
  uniforme atât în masa unei componente cât si de
  la o componenta la alta. Aceste materiale
  ceramice magnetice sunt valoroase în miezurile
  transformatoarelor de înalta frecventa datorita
  unei foarte mici pierderi prin histerezis.
  Feritele speciale cu un histerezis în forma
  patrata ca în figura, sunt folosite ca elemente
  de memorie în calculatoarele de mare viteza.
• Tot aici se poate spune ca Shafer a raportat
  studiul unui interesant material magnetic,
  silicatul de europiu.
• spinel aluminat natural de magneziu, cristal
  mineral de culoare rosie, galbena, albastra sau
  verde, folosit ca piatra pretioasa.

27
(No Transcript)
28
Materiale feromagnetice pentru magneti permanenti

• Plumboferita, un mineral natural, este uneori
  denumita magnetoplumbita, Pb(Fe,Mn)12O19, este
  demult cunoscuta ca având proprietati magnetice.
  Acest mineral este baza oricarui magnet ceramic
  permanent cu câteva exceptii. Au fost sintetizati
  compusi în care se înlocuieste Pb cu Ba sau Sr în
  matricea structurii. Structura ideala a BaFe12O19
  este aproape similara cu structura spinelului.
  Magnetii permanenti ceramici prezinta valori mari
  ale remanentei Br si fortei coercitive HC

Elemente electrice de încalzire nemetalice

• Elementele electrice de încalzire nemetalice sunt
  formate din carbura de siliciu, disilicat de
  molibden si oxizi activati si se bazeaza pe
  proprietatile conductoare ale acestor materiale.
  Elementele pe baza de CSi, în forma de tija, tub
  sau spirala sunt utilizate pe scara larga pentru
  încalzirile electrice la temperaturi mari. Ele
  pot fi folosite la temperaturi (de furnal) de
  1600 ºC pentru scurte perioade si de 1500 ºC în
  regim de lucru continuu. Portiunea supusa
  temperaturilor maxime este realizata prin
  recristalizarea SiC iar în portiunea mai rece se
  impregneaza silicon pentru marirea
  conductibilitatii termice. În utilizare,
  elementele cu SiC îsi micsoreaza rezistenta fata
  de oxidare asa încât variatia tensiunii aplicate
  circuitului electric mareste eficienta în
  functionare.

29
Elemente electrice de încalzire nemetalice

• Elementele pe baza de MoSi2O6 pot fi folosite la
  temperaturi de cu 100ºC-200ºC peste temperatura
  limita a elementelor SiC. Sunt folosite la
  elementele mai expuse la temperaturi înalte în
  furnale. Aceste elemente se obtin din pulbere de
  MoSi2 amestecata cu alcool polivinilic. Tijele
  sunt sinterizate în hidrogen la 1600ºC.
• Elementele de încalzire oxidice ca oxizii de
  zirconiu si thoriu devin conductori dupa ce
  temperatura depaseste pragul de încalzire la
  rosu. Furnalele construite cu aceste elemente
  sunt capabile de temperaturi de 2000ºC în aer. O
  problema este realizarea legaturilor la aceste
  elemente si o solutie este în acest caz
  sinterizarea la capete a unor fire de platina.
  Oxizii de zirconiu necesita activare de
  conductibilitate care se realizeaza cu ajutorul
  ytriului.Un control al tensiunii aplicate este
  necesar si la aceste elemente.

30
Termistoare

• Coeficientul de temperatura pozitiv mare al
  termistoarelor îsi gaseste multe aplicatii la
  termostate si întrerupatoare termice.Titanatul de
  bariu dopat cu un metal rar este folosit la
  fabricarea unor granule fine care apoi sunt
  sinterizate în ceramica. Pentru aceasta, lantanul
  este folost în cantitati de 0.001 pâna la 0.005
  procente molare. Titanatul de bariu poate fi
  precipitat, amestecat apoi cu metalul rar si
  încalzit în atmosfera controlata la 1400 ºC.
  Acesta este cazul multor semiconductori si dupa
  cum se poate usor observa, datorita temperaturii
  mari, problema contactelor este destul de dificil
  de realizat.

Radioceramici

• Au fost fabricate câteva tipuri de ceramici
  capabile de a emite fluxuri de unde radio de
  înalta frecventa cu minimum de distorsiune.
  Materialele folosite sunt alumina,coriderita si
  sticla de oxid de siliciu sinterizata. Este
  esential ca porozitatea, daca exista, sa fie
  uniform distribuita si deci suprafata sa aiba
  tolerante foarte mici. O problema ce apare aici
  este dimensiunea mare necesara pentru aceste
  corpuri ceramice. Multe dintre aceste corpuri
  sunt matritate si încalzite iar altele sunt
  presate.

31
Ceramici conducatoare de electricitate

• Unele dintre cele mai pazite secrete ale
  concernului Corning Glass Co. a fost cositorirea
  electrozilor oxidici utilizati în tuburile
  cinescoape. Mai multe patente de productie au
  fost emise în Statele Unite în legatura cu
  aceasta problema 1952(SnO2, 0.5-5 As, Bi, Sn,
  ardere la 1400 ºC, ? 2 Ocm-3), 1963( 0.5-5
  V2O5, ardere la 1300-1500 ºC, ? 1 Ocm-3),
  1966( 0.1-0.5 CuO, 0.5-1 ZnO, 0.3-1.2 SnO2, ?
  1 Ocm-3). Chiar si asa, problemele de contact
  cu terminalele totdeauna este o problema.
  Titanatul de magneziu (MgTiO4) este folosit la
  rezistoare ce necesita stabilitate si curenti
  mari.TiO2 cu câteva procente de SnO2 a fost pus
  în evidenta ca material semiconductor.De
  asemenea, spinelul de titan are bune proprietati
  semiconductoare.

Materiale ceramice piezoelectrice

• Aceste materiale sunt folosite atât pentru a
  produce direct curenti de înalta tensiune cât si
  ca transductoare. Un astfel de material are 64
  moli de oxid de zirconiu, 34 moli de oxid de
  titan si 2 procent de bismut. Un amestec pe baza
  de zirconat de titan este folosit pentru
  transductoarele de mare putere, tot asa cum sunt
  folosti si câtiva titanati de bariu.

32
Dielectricii pe baza de alumina

• Alumina poate fi folosita ca dielectric, în
  special la temperaturi mari. Exemple de utilizare
  sunt substraturile pentru microcircuite în
  calculatoare, sticlele translucide si lampile de
  descarcare în gaz cu curenti mari. În timp,
  alumina s-a dovedit a fi materialul cu cele mai
  bune proprietati luate global pentru miezuri de
  comutatoare la curenti mari. Acest material nu
  numai ca are bune proprietati electrice la
  temperaturi mari dar rezista si la socuri termice
  puternice. Cea mai mare parte a acestor miezuri
  este realizata în procent de 96 din Al2O3 prin
  îmbinare la cald. Când este folosita pentru
  chip-uri (microprocesoare) suprafata trebuie sa
  fie neteda si fara impuritati astfel încât
  liniile (care pot avea doar câtiva microni
  grosime) sa fie de grosime uniforma. Bender
  descrie aplicatiile automatizarii asupra acestor
  substraturi.
• translucid permite trecerea luminii dar
  împiedica vederea clara a unui obiect mat prin el.

33
Refractoare speciale

• O categorie aparte de materiale refractare o
  constituie cu structura fina. Oxizii simpli sunt
  cele mai folosite materiale refractare. Oxizii cu
  cele mai mari valori refractare sunt Al2O3, MgO,
  ZrO2, BeO si ThO2. Toate acestea pot fi
  sinterizate în corpuri dense cu un tratament
  adecvat. Oricum, alumina este de departe cea mai
  folosita.
• Amestecurile de oxizi sunt de asemenea utilizate
  ca materiale refractare. Sunt sute de compusi,
  având puncte mici de topire. Dintre acestia doar
  câtiva îsi gasesc o utilizare larga. Dintre
  acestia, mulita si zirconul sunt cei mai folositi
  datorita bunei prelucrabilitati si proprietatilor
  lor excelente.
• Materialele neoxidice au constituit obiectul de
  studiu al multor programe de cercetare pentru
  identificarea de materiale refractare pentru
  programele spatiale.
• Pe baza matricelor de compusi ceramici refractari
  neoxidici s-au dezvoltat materiale cu bune
  proprietati de rezistenta la coroziune.
• Dupa cum s-a putut observa, domeniul ceramicilor
  este departe de a-si fi epuizat resursele si
  aplicabilitatea materialelor ceramice este în
  domenii diverse medicina, metalurgie,
  electronica, constructii civile, inginerie
  aerospatiala, artizanat, supraconductibilitate,
  transportul energiei electrice.
• refractar rezistent la temperaturi înalte.

34
Materiale refractare pe baza de compusi ceramici
refractari